JP5539501B2 - きらめきを生成するｌｅｄランプ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用するランプに関し、特にＬＥＤランプのきらめく外観を生成する手法に関する。

図１は、サブマウント１２に装着され半球状レンズ１４に封入された、従来のフリップチップＬＥＤチップの断面図である。発せられる光はランバートパターンを生成する。ＬＥＤチップ１０の底部における電極１６は、サブマウント１２における金属パッドに接合され、該金属パッドは、印刷回路基板に対するはんだ付けのため、ビアによってサブマウント１２の底面における堅固な接合パッド１８に接続されている。サブマウント１２はいずれのサイズのものであっても良い。構造２０が白色を含むいずれの色の光をも出力できるように、ＬＥＤチップ１０には１つ以上の蛍光体層が重畳されても良い。種々の色を出力する斯かる構造２０は、本出願人から購入が可能である。

発光の美観が重要である特定の用途においては、注意を惹く発光を生成することが望ましい。

人間の観測者に対してきらめき（sparkling）効果を生成する、新たなＬＥＤレンズが記載される。

ＬＥＤチップは１ｍｍ^２のオーダーであり、該チップの表面に亘って発せられる光は組み合わせられて非コヒーレント光を形成する。斯かる光はきらめきを呈さない。きらめきは、発せられる光が、光源又は観測者の動きに応じて、明るさを急速に変化するように見せる特性である。

きらめきに関連する特性はスペックル（speckle）と呼ばれ、人間の目における桿状体が、網膜に亘って観測される光の強め合う及び弱め合う干渉により、コヒーレント光の種々の明るさを検出するものである。スペックルは、非コヒーレントな性質のためにＬＥＤでは観測されない、非常に興味深い美的な効果である。

本発明の一実施例によりきらめき及びスペックル効果を生成するため、ＬＥＤチップに特殊なレンズが装着され、該チップはランバートパターンを発する。該レンズは全体的に半球状（ドーム型）であり、非常に小型な相互接続された小型レンズのアレイから基本的に形成されるものとモデル化される。各小型レンズは、入射面において受光されるＬＥＤ光を、出射面において略点光源へと形成し、従って該ＬＥＤチップは、小型レンズの半球状のアレイに亘って、明るい点光源のアレイとして結像される。各小型レンズから発せられる光は指向性を持ち、従って観測者には、該観測者が光源に対して移動するにつれて、或る点光源が別のものよりも明るく見える。

一実施例においては、該ＬＥＤチップは、約１ｍｍの辺の大きさを持つ略正方形であり、小型レンズは該ＬＥＤチップから約５ｍｍ離隔された半球状の領域に亘って配置され、該半球は約１０ｍｍの直径を持ち、各小型レンズは約１乃至１／１００ｍｍの直径を持つ。該小型レンズの数は、典型的には１００乃至１００００以上である。レンズ及び小型レンズの他の形状も説明される。

観測者が光源に対して移動するにつれて、該光源はきらめくように見える。更に、各小型レンズはＬＥＤチップの略点状の光源像を生成するため、ＬＥＤが狭い範囲の波長を発すると仮定すると、観測者の桿状体は、単一の小型レンズにより発せられた部分的にコヒーレントな光を見ることとなる。点光源は本質的に光の平面波を生成する。別の桿状体は、異なる度合いの強め合う及び弱め合う干渉を経験した光を検出し、そのため、観測者の目が光源に対して移動するにつれて、知覚される光が興味深い粒状性を持つようにする。

モデル化されたレンズの実用的な実施例においては、小型レンズは完全な点光源を生成することはできず、実際的に達成可能な点光源は、ＬＥＤチップの面積の約１／２５のオーダー（約０．０４ｍｍ^２の面積）である。このことは、約０．２の小型レンズによる実際的な拡大に等しい。しかしながら、「略点光源」なる語句は、ＬＥＤチップの約１／９よりも小さな（０．３３以下の拡大）いずれかのＬＥＤ像サイズ面積とみなされるべきである。

一実施例においては、レンズの内面は凸レンズのアレイを有し、外面は適切な粗面のような散乱面を有する。該粗面は、成型又はその他の手段によって生成されても良い。該内面は、該外面において点光源を生成し、該外面による散乱は、該点光源が、レンズに対してランダム的な角度で観測されるようにする。

該レンズは単一のレンズであっても良いし、一体化されたレンズであっても良いし、又は２つ以上の同心レンズであっても良い。

種々の図面において、類似する又は同一の要素は、同一の番号が付される。

ランバートパターンを発する従来のＬＥＤ光源の断面図である。 観測者がランプに対して移動するにつれてきらめくＬＥＤランプの断面図である。 図２のレンズにおける単一の小型レンズ部分の斜視図である。 小型レンズを持つ半球状レンズの上から見た平面図である。 図２のＬＥＤランプに類似した、レンズが側面発光型レンズであるＬＥＤランプの断面図である。 離隔された内側レンズ及び外側レンズからレンズが形成されたＬＥＤランプの断面図である。

図２において、図１のＬＥＤチップ１０及び封入半球状レンズ１４（ランバートレンズ）は、基部２２により支持される。基部２２は拡大されたサブマウント１２（図１）であっても良いし、又はＬＥＤチップ１０がサブマウント１２に装着され、次いで、より大きな基部２２に装着されても良い。基部２２は、ＬＥＤチップ１０における陽極及び陰極に電気的に接続された底部電極２４を持つ。一実施例においては、ＬＥＤチップ１０は、青色、緑色、アンバー、赤色又はその他の色のような、狭い波長の光を発する。発せられた光が白色光を生成するため赤色、緑色、青色成分（又は青色及び黄色成分）を持つように、ＬＥＤチップ１０は該チップの上に形成された蛍光体層を持っても良い。

成型された外側レンズ２６は、ＬＥＤチップ１０上に装着される。レンズ２６は、シリコーン、プラスチック、ガラス、又はいずれの適切な高分子若しくはその他の物質であっても良い。当業者は、過度の説明なくいずれかの形状の透明レンズを成型することができよう。

一実施例においては、ＬＥＤチップ１０は１ｍｍの辺を持ち、全体的に半球状のレンズ２６の直径は約１０ｍｍである。しかしながら、実質的にいずれの直径のレンズ２６もが、きらめく機能を発揮する。

レンズ２６は、一実施例においてはそれぞれが全体的にアイスクリームコーン型の形状を持つ、相互接続された小型レンズのアレイから形成される。１つの小型レンズ２８が図３に示されている。ＬＥＤチップ１０（ランバート）から発せられる光は、全ての小型レンズによって略等しく形づけられる。ＬＥＤチップ１０からの光線３０は、小型レンズ２８により屈折させられることが示されており、該屈折は、小型レンズ２８の形状、及び空気とレンズ物質とで異なる屈折率によるものである。小型レンズ２８の形状は、ＬＥＤ光が、小型レンズ２８の外面における点３１においてフォーカスされるようなものである（該外面は、内側レンズの焦点距離にある）。小型レンズ２８に対して垂直に該小型レンズ２８を見る観測者は、小型レンズ２８が、レンズ２６における他の位置よりもかなり明るい光の点を出射していることを知覚し、斯くして、レンズ２６の面に亘る明るく知覚される点が、観測者のランプ４０の観測角度に依存して変化するにつれて、きらめき効果を生成する。

レンズ２６は基本的に、レンズの内側アレイ３４と、対応するレンズの外側アレイ３６とを持つ。一実施例においては、各内側レンズは凸であり、各外側レンズも凸である。レンズ２６の外面においてＬＥＤチップ１０の略点光源の像を生成するために、他の小型レンズの形状も利用され得る。

レンズ２６は、点光源像が十分に小さい場合に、きらめき効果を生成する。観測者の網膜の一部としての桿状体が、各小型レンズにより発せられる部分的にコヒーレントな光を観測し、別の桿状体は、異なる度合いの強め合う及び弱め合う干渉を経験した光を検出し、そのため、観測者の目がランプ４０に対して移動するにつれて、知覚される光が粒状性を持つようにする。興味深いスペックルを生成するためには、１ｍｍ^２のチップの約０．２５倍（又はそれ以下）の拡大の点光源像で十分である。０．２５倍の拡大は、１ｍｍ^２のＬＥＤチップを仮定すると、約０．０６ｍｍ^２のＬＥＤチップ像面積を生成する。

網膜上のスペックル解像度の限界はエアリー円盤半径であり、式ｘ＝１．２２λｆ／ｄにおいてｘとして与えられ、ここでλは光の波長であり、ｆはレンズの焦点距離であり、ｄは開口の直径である。ｆ／ｄはレンズのＦ値であり、人間の目に対しては、平均ｆ／５．７である（３ｍｍの瞳径を仮定する）。一般化すると、光の最小のスポットは、ミクロンで凡そレンズのＦ値であり、従ってｆ／１６のレンズが、約１６ミクロンの直径の光のスポットを生成できる。

一実施例においては、レンズの外側アレイ３６は、例えばプリズムの成型されたランダム的なアレイ又は適切な粗面化により、光散乱面に置き換えられる。それ故、図２のレンズは、小型でランダム的に傾いたファセットを持っても良い。内側レンズは外面において点光源を生成し、外面による散乱が、点光源がレンズに対してランダム的な角度で観測されるようにする。点光源は、散乱ファセットによって分割されても良い。

図４は、小型レンズ２８のアレイを持つレンズ２６の上面図である。実際の上からの図は、端の近くではレンズがより垂直になるための各外側小型レンズのアスペクト比変化のため、異なって見えることになる。円形の小型レンズ２８は僅か１／１０ｍｍの直径を持っても良く、１０ｍｍの直径のレンズ２６において１００００個よりも多い小型レンズ２８があっても良い。レンズ２６は基本的に、光の明点の半球状のアレイを発し、そのため、観測者の観測角度が変化するにつれて異なる明点が観測され、きらめき及びスペックル効果を生成する。１００個の小型レンズのアレイでも、きらめき及びスペックルを生成し得る。

図５は、側面に向けて光を内部反射させる中央部の円錐型の切り欠き４８を持つ、側面発光型レンズ４６を備えたランプ４４の断面図である。小型レンズ５０は、図２における小型レンズ２８と同様に機能する。実質的に小型レンズを備えたレンズのいずれの形状もが可能であり、該形状は特定の用途に依存する。

図６は、間に空隙５８を備えた内側レンズ部分５４と外側レンズ部分５６とから形成されるレンズ５２を示す。レンズ部分５４及び５６は、図２における小型レンズ２８により生成されるものと同様の点光源を生成する。空隙５８の代わりに、シリコーン又はその他の透明物質が空隙５８を満たし、取り扱いの容易化のためこれらレンズ部分を接着しても良い。面５６は、レンズの代わりに散乱面であっても良い。

図６はまた、１２０ＶのＡＣをＬＥＤチップ１０を制御するための直流に変換し得る基部２２電極に接続された駆動回路６０を示す。該ランプは、装飾的なねじ込み式の電球として利用されても良い。

一実施例においては、基部２２は、より大きなきらめき効果を生成するため、図２、５又は６のものと同一のきらめきランプのアレイを装着される。これらランプは、十分に明るければ、照明のためにも利用され得る。基部２２は印刷回路基板であっても良い。

レンズ２６、４６又は５２はいずれのサイズで造られても良く、より明るい光出力のため、単一のレンズが複数のＬＥＤチップ１０を囲んでも良い。該レンズは典型的には、ＬＥＤチップの幅の約１０倍かそれ以下の直径を持つが、該直径はいずれの実用的なサイズであってもきらめき効果を達成し得る。

他の実施例においては、内側及び外側レンズがオフセットされ又はパターン化され、ＬＥＤチップの可視性をマスクしても良い。遠視野のパターンが、種々の用途の要件に対して最適化され得る。

本発明が詳細に説明されたが、ここで記載される本発明の概念及び精神から逸脱することなく、本開示を基に本発明に対して変更が為され得ることを、当業者は認識するであろう。それ故、説明され記載された特定の実施例に本発明の範囲が限定されることが意図されるものではない。

Claims (15)

1. 基部に装着された発光ダイオードチップと、
   前記基部に装着されたレンズと、
   を有する光源であって、前記レンズは、前記発光ダイオードチップからの光を受光するように前記発光ダイオードチップの上に配置され、前記レンズは、それぞれが前記発光ダイオードチップからの光をフォーカスさせるような形状である相互接続された小型レンズのアレイを有し、前記発光ダイオードチップの結像面積は、前記小型レンズの出射部において、前記発光ダイオードチップの面積の１／９よりも小さく、それにより前記レンズの外面において前記発光ダイオードチップの略点光源の像を生成する光源。
2. 前記レンズは略半球状であり、前記発光ダイオードチップを略囲む、請求項１に記載の光源。
3. 前記レンズを形成する１００個よりも多いレンズが存在する、請求項１に記載の光源。
4. 前記レンズの直径は、前記発光ダイオードチップの幅の約１０倍以下である、請求項１に記載の光源。
5. 前記レンズは、前記レンズの外面において、前記発光ダイオードチップの像を略フォーカスする凸状の内側レンズのアレイを有する内側面を持つ、請求項１に記載の光源。
6. 前記外面は凸状の外側レンズのアレイを有する、請求項５に記載の光源。
7. 前記外面は光散乱面を有する、請求項５に記載の光源。
8. 前記レンズは、凸状の内側レンズのアレイを有する内面を持つ、請求項１に記載の光源。
9. 前記レンズは単一の部品として成型される、請求項１に記載の光源。
10. 前記レンズは、内側レンズ層と外側レンズ層とを有し、前記内側レンズ層と前記外側レンズ層との間に空隙が存在し、前記内側レンズ層の一部と、前記外側レンズ層の対応する部分との組み合わせが小型レンズを形成する、請求項１に記載の光源。
11. 前記レンズは１０ｍｍ以下の直径を持ち、前記発光ダイオードチップを略囲む、請求項１に記載の光源。
12. 前記発光ダイオードチップは、前記発光ダイオードチップの上に蛍光体の層を持つ、請求項１に記載の光源。
13. 前記小型レンズは、前記発光ダイオードチップが通電されたときにスペックルが生成されるような形状とされる、請求項１に記載の光源。
14. 前記レンズの下には単一の発光ダイオードチップのみが存在する、請求項１に記載の光源。
15. 光源により実行される方法であって、前記光源は、発光ダイオードチップと、前記発光ダイオードチップの上において前記発光ダイオードチップを略囲むレンズとを有し、前記レンズは、相互接続された小型レンズのアレイを有し、前記方法は、
    前記発光ダイオードチップにより略ランバート発光を生成するステップと、
    各前記小型レンズにより前記発光ダイオードチップからの光を受光するステップと、
    各前記小型レンズにより、前記小型レンズの出射部における前記発光ダイオードチップの結像面積が、前記発光ダイオードチップの面積の１／１６よりも小さく低減されるように、前記発光ダイオードチップの像を略フォーカスさせ、前記レンズの外面において前記発光ダイオードチップの略点光源の像を生成するステップと、
    を有し、前記レンズを形成する１００個よりも多いレンズが存在し、各前記小型レンズが、特定の角度で前記レンズを観測したときに、観測者により知覚される複数のピークとして、前記光源のピーク明点を生成する方法。

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